房緒鵬 馬伯龍 于志學(xué) 秦明

（山東科技大學(xué)，青島 266590）

改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用＊

房緒鵬 馬伯龍 于志學(xué) 秦明

（山東科技大學(xué)，青島 266590）

為了改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)供電系統(tǒng)的DC-DC變換電路，以及克服傳統(tǒng)Z源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓增益小、啟動(dòng)沖擊嚴(yán)重、輸入電流斷續(xù)等問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器。分析了該變換器電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理，推導(dǎo)出了變換器的電壓增益。與傳統(tǒng)Z源相比，在相同占空比情況下，改進(jìn)型變換器具有更大的電壓增益及輸入電流連續(xù)等特點(diǎn)。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建了仿真模型和試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)改進(jìn)型變換器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析，驗(yàn)證了該變換器的可靠性和可行性。

1 前言

光伏電動(dòng)汽車(chē)以其清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)，而對(duì)于光伏電動(dòng)汽車(chē)的重要設(shè)備DC-DC升壓變換器的研究也成為新潮流[1]。傳統(tǒng)的DC-DC變換器以Buck和Boost兩種基本電路為基礎(chǔ)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管占空比接近1時(shí)，Boost變換器的電壓增益才足夠大，這會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)的供電系統(tǒng)在控制、發(fā)熱、效率等方面的缺陷[2]。為了克服這些不足，王利民等人[2]提出了一種Z源升壓變換器電路結(jié)構(gòu)，其采用的X型Z源網(wǎng)絡(luò)具有可升/降壓、安全性能高、效率高（單級(jí)電路）等優(yōu)點(diǎn)，但電壓增益依然有限，且存在電容器電壓應(yīng)力較大、啟動(dòng)電流大等缺陷；Anderson J等人[3]提出了一種準(zhǔn)Z源變換器電路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了Z源儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)，使儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)電容的電壓應(yīng)力大大減小，但是電壓增益依然有限；侯世英等人[4]提出在傳統(tǒng)Z源電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加1個(gè)有源開(kāi)關(guān)及電感，結(jié)合傳統(tǒng)Z源網(wǎng)絡(luò)中的輸入二極管在前級(jí)構(gòu)成一個(gè)等效Boost電路，以提高電路的電壓增益，同時(shí)由于電感的加入抑制了啟動(dòng)沖擊電流，并且保證了輸入電流的連續(xù)性。

為了進(jìn)一步提升電壓增益，本文在傳統(tǒng)Z源變換器的基礎(chǔ)上，并結(jié)合文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中變換器的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器，并根據(jù)電路結(jié)構(gòu)搭建了仿真模型和試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)該變換器進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 電動(dòng)汽車(chē)供電系統(tǒng)

光伏電動(dòng)汽車(chē)的供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能板、DC-DC變換器、蓄電池、逆變器、直流負(fù)載、電動(dòng)機(jī)等組成，如圖1所示。在有光照時(shí)，汽車(chē)頂部的太陽(yáng)能板吸收太陽(yáng)光并將光能轉(zhuǎn)換成電能，然后經(jīng)DC-DC變換器升壓變換后，一部分能量直接供汽車(chē)的直流負(fù)載設(shè)備，另一部分能量經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電為電動(dòng)機(jī)和其它交流負(fù)載設(shè)備供電，并將多余的直流電儲(chǔ)存在蓄電池中。在陰雨天或夜晚，蓄電池經(jīng)DC-DC變換器向電動(dòng)汽車(chē)反向供電[5,6]。

3 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的電路結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，輸入電源、開(kāi)關(guān)管S2、二極管D、電感L3、電容器C3、濾波電感Lf、濾波電容Cf、負(fù)載R組成近似Boost電路，與后級(jí)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，從而提高升壓增益，其中準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)由電感（L1、L2）、電容器（C1、C2）、開(kāi)關(guān)管S3組成，如圖2虛線框部分所示。變換器的輔助開(kāi)關(guān)管S2、S3與主開(kāi)關(guān)管S1是全控型電子電力開(kāi)關(guān)器件（IGBT）。由于前級(jí)電路中的電感L3能夠使輸入電流連續(xù)，可以避免啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，所以該電路結(jié)構(gòu)具有延展型[7]。

4 改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器工作原理

忽略改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器中各元器件的自身壓降，設(shè)電路工作在電感電流連續(xù)的理想狀態(tài)，其工作原理分析如下。

改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的控制信號(hào)采用互補(bǔ)的PWM脈沖，輔助開(kāi)關(guān)管S2、S3控制信號(hào)相同且在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)與主開(kāi)關(guān)管S1嚴(yán)格互補(bǔ)導(dǎo)通,控制時(shí)序如圖3所示。

變換器在不同的占空比D下通過(guò)電感和電容器儲(chǔ)能的多少來(lái)控制輸出電壓的大小。根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)全控型電子電力開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器分為兩種工作狀態(tài)。為了使準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)稱(chēng)性，設(shè)置電容器C1與C2的電容量均為C；電感L1與L2的電感量均為L(zhǎng)，由電路的對(duì)稱(chēng)性和等效性可知：

b.工作狀態(tài)2：如圖5所示，S1關(guān)斷，S2、S3導(dǎo)通，此時(shí)輸入電源和電感L3既給電容器C3充電，也通過(guò)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)給濾波電感Lf和負(fù)載R供電，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的電感L1、L2給電容器C1、C2充電，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得：

令一個(gè)周期（工作狀態(tài)1和工作狀態(tài)2）的時(shí)間為T(mén)，S1開(kāi)通時(shí)間的占空比為D，則S1的開(kāi)通時(shí)間為t1=DT，S1關(guān)斷時(shí)間為t2=（1-D）T,由于S2、S3和S1互補(bǔ)，所以S2、S3關(guān)斷時(shí)間為DT,導(dǎo)通時(shí)間為（1-D）T[8]，根據(jù)穩(wěn)態(tài)電感電磁通守恒定律,改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的電感L1、L3、Lf在一個(gè)周期內(nèi)伏秒平衡[9]，則

解方程組（4）可得：

式中，B為電壓增益。

由式（7）可知，當(dāng)占空比0＜D＜0.5時(shí),改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器比傳統(tǒng)Z源DC-DC變換器在占空比D較小的情況下更容易實(shí)現(xiàn)升壓功能[10]。

由文獻(xiàn)[2]可知，傳統(tǒng)Z源DC-DC變換器的增益公式為：

根據(jù)式（7）和式（8），利用MATLAB/Figure軟件繪制出傳統(tǒng)型和改進(jìn)型兩種變換器電壓增益B與占空比D之間的關(guān)系，如圖6所示。

由圖6可看出，當(dāng)占空比0＜D＜0.5時(shí)，在同一占空比下，改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的電壓增益大于傳統(tǒng)Z源變換器的電壓增益，理論上可實(shí)現(xiàn)任意倍數(shù)升壓功能，這樣改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器在獲得較高的電壓時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間較短，有利于功率開(kāi)關(guān)管的散熱，提高系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性[11]。

5 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器具有高電壓增益、輸入電流連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)該變換器在開(kāi)環(huán)方式下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真電路，仿真參數(shù)如表1所列，仿真波形如圖7所示。

表1 仿真參數(shù)

根據(jù)式（7）可得，當(dāng)Ui=12 V，D=0.24時(shí)，改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的輸出電壓理論值為23.08 V。由圖7可看出，在輸入電壓為12 V、占空比為0.24時(shí)，改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的輸出電壓為22.70 V，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果較一致。由此表明，改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DCDC變換器具有較大的電壓增益；另外，主開(kāi)關(guān)管S1的電壓值在IGBT的耐壓范圍之內(nèi)，可以安全地正常工作；輸入電流連續(xù)，能夠抑制對(duì)輸入電源的沖擊。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器電路理論分析的正確性，在實(shí)驗(yàn)室搭建了小功率的試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的元器件參數(shù)與仿真參數(shù)相同?？刂撇糠植捎肨MS320F2812芯片輸出3路PWM信號(hào)波形，全控型電子電力開(kāi)關(guān)器件IGBT為H20R1203 HFL552型，其允許的最大電流為20 A，允許最大電壓為1 200 V，驅(qū)動(dòng)電路采用落木源KA962D驅(qū)動(dòng)板。當(dāng)輸入電壓Ui=12 V,占空比D=0.24時(shí)，在電感電流連續(xù)工作模式下進(jìn)行開(kāi)環(huán)試驗(yàn)，利用示波器測(cè)得改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器的輸出電壓、主開(kāi)關(guān)管電壓、輸入電流的波形如圖8所示。

從圖8可看出，所測(cè)得的輸出電壓為22.3 V,考慮器件本身的壓降等因素，試驗(yàn)的輸出電壓接近理論值23.08 V；主開(kāi)關(guān)的峰值電壓均小于40 V,在IGBT的耐壓范圍內(nèi)；輸入電流連續(xù)，升壓效果明顯，可實(shí)現(xiàn)光伏電動(dòng)汽車(chē)的直流升壓功能，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析和仿真的正確性。

7 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)準(zhǔn)Z源電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種改進(jìn)型準(zhǔn)Z源DC-DC變換器，與傳統(tǒng)Z源變換器相比，該變換器具有電壓增益大、輸入電流連續(xù)、啟動(dòng)沖擊電流小等特點(diǎn)。該變換器可以在占空比較小的條件下實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益，這樣在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間較短，減少了開(kāi)關(guān)管的損耗，有利于開(kāi)關(guān)管的散熱，提高系統(tǒng)的工作效率。

1 汪妍冰,雷勇,李媛,等.基于準(zhǔn)Z源的多電平光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)研究.高壓電器.2016(6)：124～129.

2 王利民,錢(qián)照明,彭方正.Z源升壓變換器.電氣傳動(dòng),2006, 36(1)：28～30.

3 Anderson J,Peng F Z.Four Quasi-Z-Source Inverters，Pow?er Electronics Specialists Conference.Greece：IEEE,2008：2743～2749.

4 侯世英,黃哲,肖旭,等.改進(jìn)型Z源并網(wǎng)逆變器.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(12)：47～53.

5 王豐,炒敏,李晶，等.雙向DC-DC變換器在汽車(chē)雙電壓系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)，杭州，2008.

6 房緒鵬,莊見(jiàn)偉,李輝,等.一種車(chē)用雙電源系統(tǒng)中新型雙向DC-DC變流器研究.汽車(chē)技術(shù),2016(7)：12～16

7 徐聰,程啟明,李明,等.Z源逆變器及其多種改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較.電網(wǎng)技術(shù),2014,38(10)：2926～2931.

8 房緒鵬,馬伯龍,董召龍,等.一種準(zhǔn)Z源升壓型DC-DC變換器.工礦自動(dòng)化,2017,43(4)：68～71.

9 房緒鵬,莊見(jiàn)偉,李輝,等.新型電流型雙向功率流準(zhǔn)Z源直流變換器.電氣傳動(dòng),2017,47(1)：32～35.

10 王樹(shù)文,單碩碩,張洋,等.改進(jìn)型準(zhǔn)Z源逆變器.電力自動(dòng)化設(shè)備,2016,36(9)：142～150.

11 周翔,許建平,陳長(zhǎng)勇.高升壓增益軟開(kāi)關(guān)DC-DC變換器.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016,31(14)：156～164.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年12月5日。

Application of Improved Quasi-Z-Source DC-DC Converter in Electric Vehicle

Fang Xupeng,Ma Bolong,Yu Zhixue,Qin Ming
（Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590）

To improve the DC-DC converter of the electrical power supply system of electric vehicle,and overcome the shortcomings of traditional Z-source topological structure such as low voltage gain,serious start-up shock and discontinuous input current,an improved quasi Z-source DC-DC converter was proposed.The topological structure and its working principle were analyzed,and voltage gain of the converter was derived.Compared with the traditional Z-source,the improved converter has advantages of higher voltage gain and continuous input current.Simulation model and test prototype were built according to the topological structure,and steady analysis was made,proving reliability and feasibility of the converter.

Electric vehicle,DC-DC converter,Quasi-Z-source,Improvement

電動(dòng)汽車(chē) DC-DC變換器 準(zhǔn)Z源 改進(jìn)

U469.72+1

A

1000-3703（2017）07-0059-04

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2009FM017）、山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YC140337）。